Image d'intensité de fluorescence du contact entre une sphère de polystyrène et le substrat de verre. La barre d'échelle indique le gradient d'intensité de fluorescence des valeurs les plus faibles (bleu) aux valeurs les plus élevées (rouge). Les régions bleues correspondent à la zone porteuse. Crédit :HIMS / Science Advances
Dans un article récent de Avancées scientifiques , des chercheurs de l'Université d'Amsterdam présentent de nouvelles connaissances expérimentales sur le fonctionnement de la lubrification. Ils ont développé une nouvelle méthode utilisant des molécules fluorescentes pour observer directement des films de lubrification nanométriques avec une sensibilité d'une seule couche moléculaire. Leur description quantitative de la relation entre la topographie, la pression de contact et la lubrification permettent de mieux comprendre la lubrification.
Le frottement et l'usure sont responsables d'une grande partie de la consommation énergétique mondiale et contribuent donc énormément aux émissions de gaz à effet de serre. Littéralement, chaque objet en mouvement dissipe de l'énergie par friction. Des exemples à fort impact économique peuvent être trouvés dans les secteurs des transports et de l'énergie :pensez à un moteur à combustion interne ou à une turbine à gaz.
Pour réduire les frottements et l'usure, les contacts glissants et roulants sont généralement lubrifiés. Par exemple, dans un moteur à combustion interne, l'huile moteur agit comme un lubrifiant, empêcher le contact solide sur solide entre le segment de piston et la paroi du cylindre, réduire le frottement et l'usure à cette interface.
Des couches de lubrifiant plus fines
En général, il y a une tendance vers des couches de lubrification plus minces en raison d'exigences de plus en plus strictes sur l'utilisation des matériaux, les exigences d'une plus grande efficacité, et un besoin de lubrifiants « plus verts ». Dans ces conditions, la lubrification réussie et le fonctionnement sûr à long terme sont de plus en plus sensibles à la topographie des surfaces lubrifiées. Bien que de nombreuses études en ingénierie et en physique aient conduit à un haut niveau de compréhension de la lubrification, à petite échelle où les couches se brisent, des questions importantes sont encore sans réponse. Un chaînon manquant majeur est un aperçu expérimental détaillé de l'influence des spécificités de la topographie de surface sur la transition entre les différents régimes de lubrification. En particulier, il y a beaucoup de discussions sur les phénomènes qui se produisent lorsque l'épaisseur du film lubrifiant ne s'étend que sur quelques molécules.
Lier la topographie de surface aux phénomènes de lubrification
Etudes fondamentales, par exemple sur les forces de frottement en utilisant la microscopie à force atomique, ont fourni un aperçu. Cependant, puisque ceux-ci concernent l'échelle microscopique, leur pertinence pour les phénomènes macroscopiques est limitée. D'autre part, étudier l'interaction entre la lubrification et la topographie de surface à une échelle macroscopique est très difficile car la couche de lubrification est enfouie entre deux solides et est donc difficile d'accès expérimentalement.
Dans leur article en Avancées scientifiques , les chercheurs présentent désormais les résultats d'une nouvelle approche qui permet une recherche fondamentale à un niveau macroscopique à très haute résolution, reliant la topographie de surface aux phénomènes de lubrification. La recherche a été réalisée à l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires (HIMS) et à l'Institut de physique (IOP) de l'Université d'Amsterdam. Des chercheurs du Dutch Advanced Research Centre for Nanolithography (ARCNL), Université de Twente (Enschede, Pays-Bas) et l'Université Paris-Saclay (Paris, France) ont contribué à l'étude.
Montage expérimental. Une tête de mesure de rhéomètre est montée sur un microscope confocal inversé. Une lamelle de verre flotté est utilisée comme substrat transparent. Une sphère, collé à l'outil rhéomètre, est abaissé au contact du substrat, et le contact est immergé dans un liquide fluorescent. En abaissant et en tournant l'outil rhéomètre, la force normale (FN) et la force de frottement peuvent être imposées et mesurées, respectivement. La fluorescence est excitée et détectée à travers le substrat transparent à l'aide du microscope. Dans l'encart, la structure moléculaire du liquide fluorescent 3, 6-bis((2-éthylhexyl)oxy)-1, 2, 4, 5-tétrazine est montré. Crédit :HIMS / Science Advances
Sondes moléculaires fluorescentes
Au groupe ARCNL Contact Dynamics du Dr Bart Weber, l'accent est mis sur les aspects fondamentaux de la friction et de l'usure en rapport avec les défis de positionnement en nanolithographie. Pour la recherche maintenant publiée dans Avancées scientifiques , le groupe s'est associé au Prof. Fred Brouwer et au Prof. Daniel Bonn de l'Université d'Amsterdam, où le premier auteur, le Dr Dina Petrova, a obtenu son doctorat. plus tôt cette année.
Les chercheurs ont réalisé des expériences de friction avec un lubrifiant très spécial inventé par les co-auteurs français Dr Clémence Allain et Pr Pierre Audebert :un liquide pur composé de molécules fluorescentes. En lubrifiant transparent, contacts verre sur verre avec ce liquide, les chercheurs ont pu visualiser directement le film lubrifiant de seulement quelques molécules d'épaisseur. Après excitation du liquide fluorescent à travers le verre, ils ont mesuré l'intensité de fluorescence locale qui est proportionnelle au nombre de molécules présentes à l'interface. Les résultats expérimentaux ont été comparés aux prédictions théoriques co-développées par le professeur Kees Venner de l'Université de Twente.
Transition vitreuse
En analysant quantitativement la relation entre la topographie de surface, l'épaisseur du film lubrifiant et le frottement, les chercheurs montrent que le confinement du lubrifiant entre les surfaces de glissement conduit à une transition vitreuse, ce qui signifie que le fluide devient très visqueux et résiste ainsi à être expulsé de l'interface.
Cependant, l'augmentation de la viscosité n'est pas toujours suffisante pour empêcher l'essorage. A l'interface, il y a une compétition entre la pression et la viscosité du lubrifiant. La pression interfaciale dépend de la surface portante qui est contrôlée par la topographie de surface :plus les deux surfaces sont rugueuses, plus la zone de contact (potentielle) est petite. Grâce à leur dispositif expérimental, les chercheurs ont pu décrire quantitativement cette relation entre la topographie, pression de contact et lubrification. Les résultats permettent ainsi de mieux comprendre le fonctionnement de la lubrification et peuvent aider à prédire le comportement de friction dans une multitude de systèmes lubrifiés à fort impact sociétal.
